小项目：使用MQTT上传温湿度到Onenet服务器-原创手记-慕课网

前言

我们之前分别编写了 DHT11、ESP8266 和 MQTT 的代码，现在我们将它们仨整合在一起，来做一个温湿度检测小项目。这个项目可以实时地将 DHT11 传感器获取到的温湿度数据上传到 OneNET 平台。通过登录 OneNET，我们随时随地可以查看温湿度数据。

这种环境监测项目的应用场景有很多，其中特别适用于温室环境监测，园丁可以随时随地了解温室中空气情况，以确保温室环境适合娇贵的花草树木生长。

1. 源码下载及前置阅读

本文所涉及的源码及安装包如下（由于平台限制，请点击以下链接阅读原文下载）：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/little-project-dht11-esp8266-onenet.html

如果你是嵌入式开发小白，那么建议你先读读下面几篇文章。

STM32下载程序的五种方法：https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html
一文教你使用MDK开发工具：https://www.lxlinux.net/e/stm32/mdk-development-tool-tutorial.html
零基础快速上手STM32开发（手把手保姆级教程）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-quick-start-for-beginner.html

前期教程，没看过的小伙伴可以先看下。

手把手教你玩转ESP8266（原理+驱动）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/esp8266-tutorial.html
手把手教你玩转DHT11（原理+驱动）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/dht11-tutorial.html
万字猛文：MQTT原理及案例：https://www.lxlinux.net/e/stm32/mqtt-turorial.html

2. 整体系统设计

使用 STM32F103C8T6 作主控芯片，配合 DHT11 温湿度传感器，实时监测周围环境的温湿度变化。通过 ESP8266 模块以 MQTT 协议将获取到的温湿度数据通过无线网络连接上传至 OneNET 平台，以便用户可以随时随地通过手机或电脑查看数据。

3. 硬件选型

本教程使用的硬件如下：

单片机：STM32F103C8T6

这款单片机具有 64K flash，20K RAM，4 个定时器，3 个串口，网络上资料好几吨，非常适合初学者入门，强烈推荐。

WiFi模块：ESP-01S（ESP8266）

ESP8266 可以利用串口与单片机进行通讯，从而编程实现控制。

温湿度传感器：DHT11

DHT11 有 3 脚和 4 脚两款，在使用上没有差别，接线都一样，主要接三根，四脚的款式有一脚悬空。四脚款接杜邦线会有点不稳，适合插面包板或开发板上。

DHT11 工作参数：

湿度测量范围：20~90%RH
湿度测量精度：±5%RH
温度测量范围：0~50℃
温度测量精度：±2℃
工作电压：DC 3.3V/5V

串口：USB 转 TTL

这种设备主要作用是用来调试或下载程序，本文用于串口输出作调试。价格也很便宜，普遍 5~8 元。

烧录器：ST-LINK V2

ST-Link 是一种用于 STM32 微控制器的调试和编程工具，它可以通过 SWD 或 JTAG 接口与开发板进行通信。本文用做烧录。一般也很便宜，七八元左右。

4. OneNET 物联网平台

MQTT 服务端可以是云平台，OneNET、阿里云、华为云、腾讯云等；也可以自己搭建服务端，用 EMQ 或 Mosquitto 。

本次我们使用 OneNET，接下来我们来配置一下 OneNET。

点开 OneNET 官方网址：中移坤灵 - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)

有账号的登录，没账号的注册一下。

登录好后点击「开发者中心」。

4.1 创建产品

接下来我们先创建一个产品，之后再创建具体的设备。

可按照下图参数创建产品。

4.2 创建物模型

通过物模型我们可以定义设备的属性、服务和事件功能。我们需要创建几个物模型，用于上传数据和事件告警。

创建两个物模型：

当前湿度，用于存储实时湿度数据。
当前温度，用于存储实时温度数据。

本教程只用到「当前湿度」和「当前温度」，剩下的物模型是下篇教程使用的。

4.3 创建设备

接下来就开始创建产品下的具体设备。

4.4 生成MQTT三元组

「MQTT 三元组」是 MQTT 协议中至关重要的，就像去考试的时候，一定要带上准考证、身份证才能进考场，要有「MQTT 三元组」才能连接 MQTT 服务端。

得到初步「MQTT 三元组」：

设备 ID：temp01
产品 ID：P2k4KV0low
设备密钥：REhWUEhWbDlIOTdRUFEzU1dGQXk4TlZKZ25oQ0N4S3M=

设备密钥需要经过加密，加密需要用 OneNET 官方的 token 生成工具。

官网下载地址：OneNET - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)

也可以拿文章开头提供的，也是官网下载的。

下载好 token 生成工具，打开界面如下，我来告诉大家每个空填啥。

各个参数介绍如下表：

名称	类型	参数说明	参数示例
res	string	访问资源 resource 格式为：products/{产品id}/devices/{设备名字}	products/P2k4KV0low/devices/temp01
et	int	访问过期时间，单位秒，unix 时间。当一次访问参数中的 et 时间小于当前时间时，平台会认为访问参数过期从而拒绝该访问	2017881776 表示：北京时间 2033-12-11 10:42:56
key	string	MQTT 三元组的设备密钥	REhWUEhWbDlIOTdRUFEzU1dGQXk4TlZKZ25oQ0N4S3M=
method	string	加密方式，支持 hmacmd5、hmacsha1、hmacsha256	md5（代表使用hmacmd5算法） sha1（代表使用hmacsha1算法） sha256（代表使用hmacsha256 算法）
version	string	参数组版本号，日期格式，目前仅支持"2018-10-31"	2018-10-31

et 的时间戳可以用这个在线工具转换，网页地址：时间戳(Unix timestamp)转换工具 - 在线工具 (tool.lu)

根据介绍，填好各个参数的空，我们选择 sha1 的加密方式，大家可以选择自己喜欢的。填好如下操作：

得到最终「MQTT 三元组」：

设备 ID：temp01
产品 ID：P2k4KV0low
token：version=2018-10-31&res=products%2FP2k4KV0low%2Fdevices%2Ftemp01&et=2017881776&method=sha1&sign=M3jVJvfeFLnggMrUPhYm5uRirXs%3D

4.5 主题订阅格式

4.5.1 OneNET地址

OneNET 服务器地址是 mqtts.heclouds.com : 1883，地址是从 OneNET 文档中心得到的。

4.5.2 订阅主题

选择设置直连设备属性：$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/set

{device-name} 是设备ID，比如我们的就是 temp01。

4.5.3 上报主题

选择直连设备上报属性：$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/post

{device-name} 是设备ID，比如我们的就是 temp01。

5. STM32 设备端开发

5.1 硬件接线

接线可参照下表：

ESP8266	DHT11	STM32	USB 转 TTL
3V3		3.3
TX		A3
RX		A2
GND		G
	VCC	3.3
	DATA	A5
	GND	G
		A10	TX
		A9	RX
		G	GND

烧录的时候接线如下表，如果不会烧录的话可以看我之前的文章 STM32下载程序的五种方法：https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html。

ST-Link V2	STM32
SWCLK	SWCLK
SWDIO	SWDIO
GND	GND
3.3V	3V3

5.2 设备实物图

接好如下图。

5.3 DHT11温湿度传感器代码

详细代码解析可以看手把手教你玩转DHT11（原理+驱动）。

5.3.1 读取1字节数据

将 DHT11 发来的二进制数据存储到 ReadData 变量中，读取一位后，左移一位，循环8次，最终得到 1 byte 数据。

那么如何判断我们读到的数据是 0 还是 1 呢？

通过 3.2.3 的分析可以知道，0 和 1 的时序只是高电平持续时间不同，所以我们只需要在 DHT11 拉低电平之后延时 40~60 微秒（代码中使用 50 微秒），再读取电平状态就可以了，如果是高电平则为 1，低电平则为 0 。

uint8_t DHT_Read_Byte(void)  //从DHT11读取一位（8字节）信号
{
    uint8_t i;
    uint8_t ReadData = 0;    //ReadData用于存放8bit数据，即8个单次读取的1bit数据的组合
	uint8_t temp;            //临时存放信号电平（0或1）
	
    for(i=0;i<8;i++){
        while(!HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN));
        Delay_us(50);
        if(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN) == 1){
            temp = 1;
            while(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN));
        }else{
            temp = 0;
        } 
        ReadData = ReadData << 1;
        ReadData |= temp;
    }
    return ReadData;
}

5.3.2 一次数据读取及显示

根据 DHT11 的时序，我们就可以使用代码实现 DHT11 一次读取数据过程。

注意：DHT11 读取数据间隔至少为 2 秒，否则读取到的数据可能不稳定，所以在最后可以延时 2 秒。

void DHT_Read()
{
	uint8_t i;
	
	DHT11_Start();
	DHT_GPIO_INPUT();
    
	for(i= 0;i < 5;i++){
		Data[i] = DHT_Read_Byte();
	}
    if((Data[0]+Data[1]+Data[2]+Data[3])==Data[4])
    {
        printf("湿度: %d.%dRH ，", Data[0], Data[1]);
        printf("温度: %d.%d℃\r\n", Data[2], Data[3]);
    }else{
        printf("ERROR DATA\r\n");
    }
    HAL_Delay(2000);
}

5.4 ESP8266模块代码

详细代码解析可以看手把手教你玩转ESP8266（原理+驱动）。

5.4.1 ESP8266 初始化

按照项目需求编写 ESP8266 初始化代码，我们需要将 ESP8266 设置工作模式为STA、单路连接模式、连接 WIFI 等操作。

uint8_t esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    char ip_buf[16];

    esp8266_uart_init(baudrate);                /* ESP8266 UART初始化 */

    /* 让WIFI退出透传模式 */
    printf("\r\n    退出透传模式\r\n");
	esp8266_exit_unvarnished();

	printf("    1.测试ESP8266是否存在（AT）\r\n");
	while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
	
	printf("    2.重启ESP8266（AT+RST）\r\n");
    while(esp8266_sw_reset())
        delay_ms(500);
	while(esp8266_disconnect_tcp_server())
        delay_ms(500);
	
	printf("    3.设置工作模式为STA（AT+CWMODE=1）\r\n");
	while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE))
        delay_ms(500);
	
	printf("    4.设置单路连接模式（AT+CIPMUX）\r\n");  //设置单路连接模式，透传只能使用此模式
	while(esp8266_single_connection())
        delay_ms(500);
	
	printf("    5.连接WiFi，SSID：%s，PWD：%s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);      //连接WIFI
	while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD))
        delay_ms(1000);
    
    printf("    6.获取IP地址（AT+CIFSR）：");
    while(esp8266_get_ip(ip_buf))
        delay_ms(500);

    printf("%s\r\n\r\n", ip_buf);
    
    printf("ESP8266初始化完成\r\n");
    return ESP8266_EOK;
}

初始化结束后连接 OneNET 服务器并进入透传模式。

void esp8266_connect_server(char *server_ip, char *server_port)
{
    esp8266_disconnect_tcp_server();
    printf("    7.连接云服务器（AT+CIPSTART），server_ip：%s，server_port：%s\r\n", server_ip, server_port);
    while(esp8266_connect_tcp_server(server_ip, server_port))
        delay_ms(500);
    
    printf("    8.进入透传模式（AT+CIPMODE）\r\n");
    while(esp8266_enter_unvarnished())
        delay_ms(500);
    
    printf("已连接上云服务器并进入透传模式。\r\n");
}

5.5 MQTT代码

5.5.1 CONNECT 报文

CONNECT 报文的编写及发送代码，报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可，报文内容：10+剩余长度+00 04 4D 51 54 54 04 C2+保持连接时间+L+设备 ID+L+产品 ID+L+token。

uint8_t mqtt_connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
    uint8_t i,j;
    int ClientIDLen = strlen(ClientID);
    int UsernameLen = strlen(Username);
    int PasswordLen = strlen(Password);
    int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//可变报头+Payload  每个字段包含两个字节的长度标识
    DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
	
	//固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10;		//MQTT Message Type CONNECT
	//剩余长度(不包括固定头部)
	do
	{
		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );
    	
	//可变报头
	//协议名
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        	// Protocol Name Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;           // Protocol Name Length LSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M';        	// ASCII Code for M    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q';        	// ASCII Code for Q    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
	//协议级别
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;        		// MQTT Protocol version = 4    
	//连接标志
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2;        	// conn flags 
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        		// Keep-alive Time Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100;        	// Keep-alive Time Length LSB  100S心跳包  
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB  	
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
    mqtt_txlen += ClientIDLen;
    
    if(UsernameLen > 0)
    {   
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen);		//username length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen);    	//username length LSB    
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
        mqtt_txlen += UsernameLen;
    }
    
    if(PasswordLen > 0)
    {    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen);		//password length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen);    	//password length LSB  
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
        mqtt_txlen += PasswordLen; 
    }    
	
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
		mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
        for(j=0;j<10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if (esp8266_wait_receive() == ESP8266_EOK)
                esp8266_copy_rxdata((char *)mqtt_rxbuf);

			//CONNECT
			if(mqtt_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_connetAck[1] && mqtt_rxbuf[2]==parket_connetAck[2]) //连接成功			   
			{
				return 0;//连接成功
			}
        }
    }
	return 1;
}

5.5.2 PUBLISH 报文

PUBLISH 报文的编写及发送代码，报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可，报文内容：30 +剩余长度+L+主题+数据（JSON）。

uint8_t mqtt_publish_data(char *topic, char *message, uint8_t qos)
{  
    int topicLength = strlen(topic);    
    int messageLength = strlen(message);     
    static uint16_t id=0;
	int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//有效载荷的长度这样计算：用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度
	//QOS为0时没有标识符
	//数据长度             主题名   报文标识符   有效载荷
    if(qos)	DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;       
    else	DataLen = (2+topicLength) + messageLength;   

    //固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30;    // MQTT Message Type PUBLISH  

	//剩余长度
	do
	{
		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );	
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);//主题长度MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);//主题长度LSB 
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);//拷贝主题
    mqtt_txlen += topicLength;
        
	//报文标识符
    if(qos)
    {
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id);
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id);
        id++;
    }
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength);
    mqtt_txlen += messageLength;

//    int i = 0;
//    for(i=0;i<mqtt_txlen;i++)
//        printf("%02X ", mqtt_txbuf[i]);
//    printf("\r\n");
	mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    return mqtt_txlen;
}

5.6 主函数逻辑代码

主函数代码如下：

#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "esp8266.h"
#include "onenet.h"
#include "dht11.h"


extern char dht11_data[5];

int main(void)
{
    HAL_Init();                                 /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);         /* 设置时钟,72M */
    delay_init(72);                             /* 初始化延时函数 */
    usart_init(115200);                         /* 波特率设为115200 */
    
    printf("初始化ESP8266...\r\n");
    esp8266_init(115200);

    printf("初始化MQTT...\r\n");
    mqtt_init();

    printf("MQTT连接...\r\n");
    mqtt_connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord);

    while(1)
    {
        uint8_t data_send_buff[512];
        memset(data_send_buff, 0, sizeof(data_send_buff));
        dht11_read();
        sprintf((char *)data_send_buff,"{\"id\":\"1386772172\",\"version\":\"1.0\",\"params\":{\"temperature\":{\"value\":%d.%d},\"humidity\":{\"value\":%d.%d}}}"
            ,dht11_data[2], dht11_data[3], dht11_data[0], dht11_data[1]);
        mqtt_publish_data(POST_TOPIC, (char *)data_send_buff, 0);
        HAL_Delay(3000);        //3s发送一次

        printf("\r\n~~~~~~~~发送心跳包~~~~~~~~\r\n");
        mqtt_send_heart();
        printf("~~~~~~~~心跳包发送结束~~~~~~~~\r\n");
    }
}

5.7 运行过程

烧录好后，串口效果如下：

OneNET 平台效果如下：

总结

把前面学的知识整合成一个小项目后是不是成就感爆棚了，接下来会不断继续优化这个小项目，让它更完整，更人性。感谢各位看官，love and peace！